1   前言

本文旨在基于 BLE(NXP KW38) 射频阻抗匹配调试分析。

阻抗匹配是微波电子学里的一部分，主要用于传输线上，来达至所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的，不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益。

要匹配一组线路，首先把负载点的阻抗值，除以传输线的特性阻抗值来归一化，然后把数值划在史密斯圆图上。史密斯圆图是用来分析传输线匹配问题的有效方法。

 

2  史密斯圆图的基本概念

史密斯圆图主要用于传输线的阻抗匹配。史密斯圆图中反射系数和阻抗一一对应；它包含两部分，一部分是阻抗史密斯圆图，它由等反射系数圆和阻抗圆图构成；另外一部分是导纳史密斯圆图，它由等反射系数圆和导纳圆图构成。

阻抗圆图由电阻和电抗两部分构成，导纳圆图由电导和电纳构成。通常将阻抗圆图和导纳圆图画在一起，可以读出任意反射系数点对应的阻抗值和导纳值。

图2-1 阻史密斯圆图

2.1  阻抗史密斯圆图

史密斯圆图红色的代表阻抗圆。

圆中间水平线是纯阻抗线，如果有点落在该直线上，表示的是纯电阻。

阻抗圆图的上半圆内的电抗呈感性；下半圆内的电抗呈容性；

圆表示等阻抗线，落在圆上的点阻抗都相等，向上的弧线表示等感抗线，向下的弧线表示等容抗线。

圆图旋转一周为l/2；|G|=1的圆周上的点代表纯电抗点

实轴左端点为短路点，右端点为开路点；中心点处有r=1、x=0，是匹配点

在传输线上由负载向电源方向移动时，在圆图上应顺时针旋转；反之，由电源向负载方向移动时，应逆时针旋转。

图2-2 阻抗圆上的重要点、线、面

 

2.2  导纳史密斯圆图

史密斯圆图蓝色的代表导纳圆。

导纳是阻抗的倒数，中间的是电导线，图上的圆表示等电导圆，向上的是等电纳线，向下的是等电抗线。

实际上由无耗传输线的l¤4的阻抗变换特性，将整个阻抗圆图旋转180°即得到导纳圆图。

匹配时可在等阻抗圆以及等电导圆上进行换算。

阻抗匹配计算的基本原则是：感要补容，容要加感，高阻要想办法往低走，低阻要想办法抬高。无论在任何位置，均要向50欧（中点）靠拢。

阻抗圆图变为导纳圆图并不需要对圆图作任何修正，且保留了圆图上的所有已标注好的数字。串联元件的阻抗是相加的，并联元件的导纳是相加的。

 

图2-3 导纳圆上的重要点、线、面

 

2.3 阻抗圆图与导纳圆图合并圆图

把阻抗圆图与导纳圆图合并使用，可以把任意阻抗点通过沿等电阻圆，等电抗圆，等电纳圆和等电导圆移动而匹配到原点（即阻抗匹配点）上。不同的移动方式对应不同的元件连接。

串连L，阻抗点沿着电抗刻度（即等电阻圆）右旋移动。

串连C，阻抗点沿着电抗刻度左旋移动。

串连R，阻抗点沿着电阻刻度（即等电抗圆）移动。

并联L，阻抗点沿着电纳刻度（等电导圆）左旋移动。

并联C，阻抗点沿着电纳刻度（等电导圆）右旋移动。

并联R，阻抗点沿着电导刻度（等电纳圆）移动。

左旋是逆时针，右旋是顺时针。

并联用导纳图，串联用阻抗图。

电感向上转，电容向下转。

匹配要从负载开始，到源阻抗共扼结束。

3  网络分析仪进行阻抗匹配调试

BLE(NXP KW38)射频阻抗匹配调试工作中，通常会使用到网络分析仪E5071C。

BLE(NXP KW38)射频阻抗匹配的方法是反射法，适用于经典的低阻抗到中阻抗范围，通过S11参数测量端口测试。

 

3.1 E5071C 仪表环境设置

• 按开关键打开仪表。
• 按下[Preset]选择OK复位。

3）准备需要调试的环境：

a.确定 KW38 调试的频段，选择Start和Stop设置调试频段：2400-2483.5MHz。

b.设置[Mearsure]按钮，一个trace选择测试S11（SW38 只涉及S11 测试）。

c.设置[Format]按钮，先选择测试 Smith，再选择 R+jX。

d.设置[Sweep Setup]按键，点击 Points，在 ENTRY 界面输入“1601”按 Enter 键。

e.设置[Marker]按键，设置三个Mark，同时设置低中高三个频点。

 

3.2 E5071C 校准

1）设置完成后，50Ω 馈线硬件接口单独连接 Port1口，夹具与手柄90°拧紧接口，如下图：

             

2）校准件校准，设置[Cal]按键，点击Calibrate —— 1-Port-Cal，依次按照“Open”、“Short”、“Load”的顺序连接到Port1的硬件接口上进行校准，校准完成后点击 Done —— Return，准后要保证在端口的位置都固定在开路点。校准后保存参数，设置Save/Recall 按键，方便后期调用。如下图：

3）射频同轴延长线校准，为了保证测试准确定，外接射频延长线需要一并校准，设置[Cal]按键，Port Extensions —— Extensions ON —— Auto Port Extension —— Measure OPEN —— Port 1。校准完成后保存数。如下图：
                  

 

4 BLE(NXP KW38)方案实例

4.1 BLE(NXP KW38)简介

设备是高度集成的单芯片，支持低功耗蓝牙5.0和通用 FSK 连接的嵌入式系统。KW38 2. BLE(NXP KW38)4G 工作频段（2400-2483.5 MHz）。

图4-1 BLE(NXP KW38)方框图

 

图4-2 BLE(NXP KW38)原理图

 

4.2 外接cable射频线制作

剥出cable另一端的内芯线2mm左右，焊上一层焊锡，表面要光滑，不能有毛刺。然后把cable上靠近剥除内芯处，剥去长阅2mm的胶皮，露出外导体，焊上一层焊锡，表面要光滑，不能有毛刺。

把剥好的芯线压低，靠近测试点，用焊锡连接。使用万用表测试电缆是否与地及馈点焊盘连通。

把做好的cable线按照预定路径紧贴在主板上，在地的部分把两者焊接，焊接要牢固，光滑，不能有毛刺。cable线不易弯折太大，弯折角度要圆弧形，不能直角弯折，cable线的焊接路径上要有足够的地要来焊接。

 

4.3 匹配过程遵循原则

1.落地电容值不要过大，电容越大，容抗则越小，信号容易流入GND。

2.电容、电感值不要过小，因为存在误差，容值、感值越小，误差影响越大，影响批次的稳定性。

3.电容、电感选择常规值，方便替换和备料采购。

阻抗匹配过程中，我们首先要理解数据手册的参数，找到指导电路设计的依据，如电路拓扑图、S参数等；在调试过程中，借助网络分析仪E5071C测量实际电路的阻抗，使用史密斯圆图辅助我们完成设计；最后完成对电容、电感的选择。

 

4.3 BLE(NXP KW38) 射频阻抗匹配调试

参考PCB 板上分布参数的阻抗，就可以通过史密斯圆图进行有据可循的阻抗匹配，减少无谓的参数尝试。匹配电路一般为L型或Л型，分清电容、电感、电阻各器件的串并联关系。

根据图4-2 BLE(NXP KW38)原理图，可把外接cable线焊接在C39上并设置接地点。此时各元器件的关系是 PC35_SL5_PC36_PC38_PC39_PR14。

调试前C37需要NC断路、摘掉R14，调试匹配主要调整靠近芯片周围的Л型电路和C38等元器件。如果Л型电路调整后BLE(NXP KW38)已最接近50Ω，那么不需要再调整C38；反之可以继续调试C38来完成天线连通路径为50Ω。

根据史密斯圆图口诀，串联和并联都可能要随时调整，不能只紧盯一处，要全盘兼顾。经过调试后C35匹配0.5pF；C38和L5无需调整；调整匹配后可以在史密斯圆图上查看圆图，根据调试后BLE(NXP KW38)匹配最终最接近50Ω， BLE(NXP KW38)完成匹配调试。

 

5 参考文献

[1]  廖承恩.微波技术基础.西安：西安电子科技大学出版社，1999

[2]  顾茂章，等.微波技术.北京：清华大学出版社，1989

[3]  王元坤.电波传播概论.北京：国防工业出版社，1984

[4]  魏文元，等.天线原理.北京：国防工业出版社，1985

[5] 《FRDM-KW38 Freedom Development Board User’s Guide》